Titelaufnahme

Titel
Serotonin and neuroplasticity investigated in vivo by positron emission tomography and structural Magnetic Resonance Imaging / submitted by Christoph Kraus, MD
Weitere Titel
Serotonin und Neuroplastizität - untersucht in vivo mit Positronenemissionstomographie und struktureller Magnetresonanztomographie
Verfasser / VerfasserinKraus, Christoph
Begutachter / BegutachterinLanzenberger, Rupert
ErschienenWien, 2016
Umfang137 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftMedizinische Universität Wien, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Serotonin / Neuroplastizität / Neuroimaging / Positronenemissionstomographie / Magnetresonanztomographie
Schlagwörter (EN)Serotonin / Neuroplasticity / Neuroimaging / Positron Emission Tomography / Magnetic Resonance Imaging
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-7435 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Serotonin and neuroplasticity investigated in vivo by positron emission tomography and structural Magnetic Resonance Imaging [3.65 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Nachdem Studien der bildgebenden Hirnforschung zeigten, dass die graue Substanz bei Erwachsenen dynamischen Veränderungen unterliegt wurde der Neuroplastizität viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit zuteil. Außerdem stellt dysfunktionale Neuroplastizität eine Haupthypothese der Neuropathogenese von Depression dar. Studien in Zellkulturen oder Tiermodellen identifizierten zahlreiche Mechanismen der Neuroplastizität, welche neuronale Entwicklung, Synaptogenese oder Neurogenese steuern können. Hier gibt es deutliche Hinweise für einen Einfluss von Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) auf morphologische Veränderungen von Neuronen. Während dies vor allem bei neuronalen Netzwerken während der Embryonalphase und während der postnatalen Gehirnentwicklung nachgewiesen werden konnte, fehlen Studien bei Erwachsenen.

Diese Arbeit setzte sich daher zum Ziel, das Verhältnis zwischen 5-HT und Neuroplastizität in vivo bei Menschen mit struktureller und funktioneller Magnetresonanztomographie sowie Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Genetik zu untersuchen. In der ersten Studie, zeigen wir starke Korrelationen zwischen dem 5-HT1A Rezeptor, welcher neuroplastische Aktivität vermitteln kann, und dem regionalen Volumen der grauen Substanz in bestimmten Gehirnregionen. Wir fanden außerdem eine Korrelation zwischen 5-HT1A Autorezeptordichte im dorsalen Raphe Nucleus, welcher die Aktivität des serotonergen Systems regelt, und grauer Substanz in höheren kortikalen Regionen. Gemeinsam zeigen diese Ergebnisse, dass die 5-HT1A Rezeptor Dichte mit mehr grauer Substanz einhergeht. In der zweiten Studie finden wir starke Signalzunahmen grauer Substanz nach Einnahme eines selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmers, was wiederum mit einer Zunahme funktioneller neuronaler Aktivität vergesellschaftet ist. Hierbei setzt eine vermehrte synaptische 5-HT Konzentration molekulare Prozesse in Gang, die mit einer Umstrukturierung grauer Substanz einhergehen. In der dritten Studie konnten wir zuvor berichtete Veränderungen des Serotonintransporters oder 5-HT1A Rezeptors in Zusammenhang mit reduzierter Verfügbarkeit des „brain-derived neurotrophic factors“ (BDNF) nicht bestätigen.

Diese Arbeit bietet wichtige Belege dafür, dass neuroplastische Effekte von Serotonin, welche an der Entwicklung neuronaler Netzwerke beteiligt sind, auch in adulten humanen Gehirnen aktiv sein könnten. Unter Berücksichtigung, dass sowohl Defizite im serotonergen System als auch dysfunktionale Neuroplastizität zwei Haupthypothesen der Neuroätiopathogenese der Depression darstellen, generiert diese Arbeit eine wichtige Basis für eine Verbindung beider Hypothesen. Schließlich könnte der Zusammenhang zwischen Serotonin und Neuroplastizität zu weiteren Einsichten über die Fähigkeit des Gehirns sich selbst zu adaptieren führen.

Zusammenfassung (Englisch)

Neuroplasticity is defined as the sum of structural and functional neuronal adaptions in the adult brain upon changes of external stimuli or the internal milieu. After neuroimaging demonstrated restructuration in the brain associated to navigational expertise or learning to juggle neuroplasticity has received significant scientific attention. Moreover, deficits in neuroplasticity are thought to contribute to the pathogenesis of depression. Meanwhile, neurobiological studies revealed many new insights into the mechanisms behind the regulation of neuronal development, synaptogenesis or neurogenesis. Conclusive evidence indicates a modulating influence of serotonin (5-HT) in triggering measurable morphological changes of neuronal cells. While this notion emerged mainly from animal studies, there is a lack of studies in humans on neuroplastic functions of 5-HT.

We therefore investigated the relationship between 5-HT and neuroplasticity in humans with a multimodal neuroimaging approach using structural and functional high resolution MRI in a combination with PET and imaging genetics in three consecutive studies. In a first study, we demonstrate that binding potential of the 5-HT1A receptor, which is the main inhibitory serotonergic receptor and which has been frequently linked with modulation of neuroplastic processes, correlates with regional gray matter volumes (GMV) in distinctive brain regions. Furthermore, we found a correlation between 5-HT1A autoreceptor binding in the dorsal raphe nuclei (DRN), known to modulate the forebrains serotonergic tone, and cortical GMV. These results indicate that 5-HT1A receptor densities in certain brain regions interrelate with the volume of gray matter.

In the second study, we report a significant increase of gray matter after 10 days of oral selective-serotonin reuptake inhibitor (SSRI) administration in the posterior cingulate cortex, which is accompanied by an increase in functional neuronal connectivity in the same region. Here, elevated synaptic 5-HT due to oral SSRI intake, which represent the most often prescribed antidepressants, leads to dynamic alterations of brain structure and function as measured by MRI in healthy humans.

In the third study we did not substantiate previously reported increases in 5-HT transporter (SERT) or 5-HT1A bindings upon lifetime changes of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) function, as produced by a common single nucleotide polymorphism (SNP).

The work of this thesis provides ample evidence that many of serotonins neuroplastic effects, which are highly active during the brains development, might be partly conserved throughout lifetime. Under consideration that both deficits in neuroplasticity and serotonergic function are important hypotheses in the etiopathogenesis of depression, this thesis offers solid groundwork for approximating these pathomechanisms in future studies. Finally, the relationship between 5-HT and neuroplasticity detailed in this work, could lead to further insights in the brains ability to adapt itself.